Hybrid transmission oil-cooled motor peak condition transient temperature rise prediction simulation method
附图说明 图1为本发明所述的混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法的流程示意图； 图2为本发明所述的混动变速箱油冷电机的二维结构剖视图； 图3为本发明所述的混动变速箱油冷电机喷油管的结构示意图； 图4为本发明所述的混动变速箱油冷电机喷油管流体域示意图； 图5为本发明所述的混动变速箱油冷电机稳态温度分布图； 图6为本发明所述的混动变速箱油冷电机非稳态温度变化曲线图； 图中，1、前壳体；2、定子铁芯；3、绕组；4、转子铁芯；5、喷油管；501、第一支路喷油管；502、第二支路喷油管；6、空心转轴；7、磁钢；8、油底壳；9、第一静止流体域；901、第一支路喷油管流体域；902、第二支路喷油管流体域；10、后壳体；11、第三空心转轴流体域；12、壳体内主流体域。 技术领域 本发明属于汽车电机温度仿真技术领域，具体涉及一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法。 具体实施方式 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 如图1所示，使用的模型为65KW/130KW的油冷式电机；具体步骤如下： 第一步，在电磁软件中建立二维电磁损耗模型，计算出电机额定工况与峰值工况下的损耗，如表1所示： 表1电机各部件损耗 第二步，具体在实施例中，所述油冷式电机定子冲片直径220mm、定子铁芯长度124mm，绕组总长190mm，绕组非出线端一侧直径为200mm，出线端直径为210mm；所建立的电机二维剖面结构图如图2所示，主要包括电机固体结构域与流体结构域，所述固体结构前壳体1、定子铁芯2、铜线绕组3、转子铁芯4、第一支路喷油管5-1、第二支路喷油管5-2、空心转轴6、永磁体7、油底壳8、后壳体10；所述喷油管流体域如图4所示，主要包括第一支路喷油管流体域9-1、第二支路喷油管流体域9-2、空心转轴流体域11。 第三步，将第二步建立的模型导入网格划分软件进行有限元网格剖分；对第一支路喷油管、第二支路喷油管、第三旋转喷油管区域进行网格局部加密，绕组及定子部位网格最大尺寸设置为2mm，同时对流体区域添加5层边界层，并且确保体网格质量偏斜度大于0.25，最终网格划分总数为14569420。 第四步，设置流体的密度、导热系数、比热容、动力粘度，设置固体部件的密度、导热系数、比热容，所述流体主要包括空气与冷却油，如图2-4所示，所述固体部件主要包括绕组、磁钢、定转子铁芯、壳体、转轴，所述绕组采用等效后的材料进行参数设定、定转子铁芯导热系数为各向异性，绕组与定转子铁芯的材料参数如表2所示： 表2材料参数设定 第五步，设置求解类型为稳态，计算模型选择VOF多相流，湍流模型采用k-ε，壁面函数采用增强壁面函数，设置边界条件及热源密度。 具体地，设置油冷电机进口为速度进口，其值为1.76m/s，温度为90℃，出口设置为压力出口，出口温度为90℃，环境温度设为26℃；设置旋转部件的转速为3850rpm，旋转轴为Z轴；加载稳态工况下电机绕组、定子铁芯、转子铁芯、磁钢的损耗，并设置壳体外壁面传热系数为26(W/m·K)。 第六步，在壳体内流体域中设置最大速度监测点P1，在绕组中设置最大温度监测点T1；设置迭代步数为3000步，开始迭代计算，满足收敛标准后停止计算；得到额定工况下电机内部温度场分布，如图5所示； 第七步，为了验证模拟的准确性，将仿真数据与试验数据进行对比，其中油冷电机试验监测点位置如图5所示，通过对比该位置点仿真与试验数据，发现误差为6.4％，小于10％，证明该仿真方法可以用于油冷式电机稳态温度场预测中。 表3仿真数据与试验数据对比
第八步：将第六步计算的稳态流场结果作为油冷电机峰值工况下瞬态温度场计算的初始流场，热源加载为峰值工况的电机损耗，设置转速为3200rpm；时间步长采用分时间段设置，在本例中，初始阶段2.5s之前设置流体时间步长为0.003，固体时间步长为0.006s，2.5s—10s设置流体时间步为0.01s，固体时间步为0.02s，10s以后设置流体时间步长为0.03，固体时间步0.06s；使用该设置方法，在不降低计算精度的前提下可以提高油冷式电机在瞬态工况下的仿真速度，也能节约计算机资源；当满足设定的收敛标准后停止计算，并将计算结果导入后处理软件进行结果分析，获得油冷电机峰值工况下的温度场分布，并且查看绕组温度变化曲线，如图6所示。 本发明所涉及的流体通用软件可以为Fluent，电磁软件可选择motorcad或者maxwell，后处理软件可选择cfdpost。 本发明的工作原理： 本发明，将仿真模拟技术运用于新能源混动变速箱油冷电机非稳态仿真分析，在一定程度上可替代温升试验，缩短新产品的开发周期，减少开发费用。在求解模型过程中，若整个流场迭代过程将时间步长设置为较大的量级，则初始阶段流场容易发散，存在计算报错的可能；若整个流场迭代过程将时间步长设置为较小的量级，则计算时间成几何倍数增加；为了解决此问题，提出一种分时段设置时间步长的方法，即在仿真初始阶段，将时间步长设置为较小的量级，随着流场稳定，逐渐增大时间步长，其中固体时间步长采用独立设置；使用该方法，可在不降低计算精度的前提下提高油冷电机瞬态温度场仿真速度，节约计算机资源；当满足收敛标准后，停止计算并导出结果文件至后处理软件，对结果进行分析。 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。 背景技术 随着新能源汽车技术的不断发展，将电机控制器、电机和减速器集成为三合一电驱动系统，具有成本低、体积小、功率密度高、传动效率高等优点，可全面提升电动汽车的效能与安全性。驱动电机作为新能源汽车电驱动系统的核心零部件之一，直接影响驱动系统的性能。电机的温升控制是电驱动系统主要解决的问题，温度过高，永磁体会产生不可逆退磁，绕组绝缘层失效，严重影响电机的使用寿命。 对于新能源汽车混动变速箱的油冷电机来说，由于冷却油具有不导电不导磁的特点，可以与电机定子、绕组发热部位直接接触，及时带走电机内部热量。在稳定状态下，汽车运行在额定工况，电机内部温升较低，危险性较小；当汽车在爬坡、急加速或者大扭矩等非稳态工况下，电机可能在短时间内运行在峰值功率，特别是高功率密度电机，其主要发热来自绕组铜耗和铁芯损耗，且因绕组与铁芯之间存在导热系数低的绝缘纸、绝缘漆及空气等导致绕组热量短时无法被冷却油带有，而使绕组温度快速上升。其时间一般小于30s，此时电流增大，因为绕组损耗与电流成平方关系，导致绕组损耗急剧增大，温度升高，若温度过高则会损坏绝缘层，严重影响电机使用寿命。另外混动变速箱油冷电机的温升试验周期长，费用高，无法在设计前期规避设计问题。 发明内容 针对现有技术中的不足，本发明提出一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，该方法基于有限元法、流体力学、传热学，电磁学，对油冷电机进行多物理场的共轭传热仿真分析，尤其对峰值工况下瞬态温升模拟准确，可为混动变速箱油冷电机设计及热管理提供设计参考。 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，包括如下步骤： 第一步，依据构建的二维电机几何模型、材料参数、负载特性，建立电磁损耗分析模型，通过电磁损耗分析模型计算出电机额定工况、峰值工况下的电机损耗，电机损耗包括绕组铜损、定子铁芯损耗、转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗， 电机铜线绕组损耗通过焦耳公式进行计算： Pcu＝mI2R 其中：Pcu——绕组铜损(W) m——电机绕组的相数 I——绕组相电流有效值(A) R——绕组相电阻阻值(Ω) 电机损耗计算中的定子铁损计算公式如下： PFe＝Ph+Pc+Pe 其中：PFe——定子铁耗(W)； Ph——磁滞损耗(W)； PC——涡流损耗(W)； Pe——异常损耗(W)。 永磁体的涡流损耗计算如下： 式中：Ppm——永磁体涡流损耗(W)； J——涡流密度； σ——永磁体电导率(S/m)； V——永磁体体积(m3)。 第二步，通过三维建模软件建立电机的三维模型，三维数值计算模型包括电机固体结构域、流体结构域； 第三步，将上步建立的油冷电机模型导入网格划分软件，对模型进行网格划分，其中流体域需单独添加边界层网格，确保网格质量达到设定标准，并导出网格文件。 第四步，将第三部中的网格导入流体分析软件，建立油冷电机额定工况稳态温度场求解模型，求解类型设置为稳态热；设置求解模型，设置电机固体部件与流体的物性参数； 选择计算模型及边界条件，同时为了监测流场收敛，分别在流体域及固体域内设置监测点；设置时间步长及总时间步后开始迭代计算，直至流场达到收敛标准，导出结果至后处理软件，并查看油冷电机内温度场分布， 其中绕组与绝缘材料进行等效处理，其物性参数按以下公式进行计算： 式中：λcq——等效绕组导热系数(W/(m·K))；ρcq——等效绕组密度(Kg/m3)，Ccq——等效绕组比热容(J/(Kg·K))；λi——铜线及各种绝缘材料导热系数(W/(m·K))；δi——铜线及各种绝缘材料厚度(m)；ρi——铜线及各种绝缘材料密度(Kg/m3)；Ci——铜线及各种绝缘材料比热容(J/(kg·K))；Vi——铜线及各种绝缘材料有效体积(m3) 其中定转子铁芯的导热系数按下式计算： 铁芯轴向导热系数： 铁芯周向导热系数计算： λrx＝λry＝KFeλ1+(1-KFe)λ2 式中：λ1、λ2为硅钢片和绝缘材料的导热系数，KFe为硅钢片的堆叠系数，一般取0.97。 第五步，建立油冷电机非稳态温度场仿真分析模型；将第四步计算的稳态流场结果作为电机非稳态温度场计算的初始流场，热源为峰值工况下的电机损耗，设置转动部件旋转速度，并且更改求解类型为瞬态热；针对流-固-热多场耦合瞬态仿真， 在仿真初始阶段，将时间步长设置为较小的量级，随着流场稳定，逐渐增大时间步长，其中固体时间步长采用独立设置，节约计算机资源；当满足收敛标准后，停止计算并导出结果文件至后处理软件，对结果进行分析。 第六步，获得油冷电机绕组、定子、磁钢、壳体的温度分布，流体区域的速度分布，并且查看温度变化曲线， 第七步，验证模拟的准确性，将仿真数据与试验数据进行对比，选择油冷电机试验监测点，通过对比该位置点仿真与试验数据，测得误差，误差超过容许值，修改第四步、第五步中的设置。 根据本发明又一实施例或前述任一实施例的混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其中，所述固体结构域包括磁钢、转子铁芯、定子铁芯、铜线绕组、空心转轴、第一支路喷油管、第二支路喷油管、前壳体、后壳体、油底壳，其中所述第一支路喷油管、第二支路喷油管安装在前壳体上； 根据本发明又一实施例或前述任一实施例的混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其中，所述流体结构域包括第一支路喷油管流体域、第二支路喷油管流体域、第三空心转轴流体域、壳体内主流体域，第一支路喷油管流体域、第二支路喷油管流体域构成第一静止流体域； 根据本发明又一实施例或前述任一实施例的混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其中，所述第一支路喷油管与第二支路喷油管上开有不同方向的小孔，所述小孔直径为1.2mm，其中每一根喷油管在绕组端部设计两对3个大小一致的孔，中间部位流量需求小，设计三对2个大小一致的孔。 根据本发明又一实施例或前述任一实施例的混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其中，所述空心转轴两侧分别布置有4个大小一致的孔，其中一对孔开口朝向绕组，用于冷却绕组端部，另外一对开口朝向轴承，用于对转子部件轴承进行润滑冷却。 根据本发明又一实施例或前述任一实施例的混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其中，所述固体部件的物性参数包括密度、比热容、导热系数，所述流体的物性参数包括密度、比热容、导热系数、动力粘度； 根据本发明又一实施例或前述任一实施例的混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其中，所述边界条件包括设置流体进出口边界类型、旋转部件转动速度及方向、热源添加、壳体外壁面传热系数，所述热源为额定工况的损耗值。 本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下积极效果： 1、本发明提出一种混动变速箱油冷式电机非稳态温度场仿真方法，该方法可精确预测新能源汽车在峰值功率运行时，内部电机的温度场分布，并可预测其油冷式驱动电机温度达到180℃所用时间；该方法可为该类型油冷电机的设计、电机热管理、以及冷却系统的设计提供设计参考，提高设计的准确性；应用在产品设计的全周期过程中，及早发现电机热管理问题，在一定程度上可替代温升试验，缩短新产品的开发周期，减少开发费用。 2、针对混动变速箱油冷电机瞬态温度场仿真分析，存在网格数量多，收敛迭代时间久，计算过程中易发散的特点，采用分时间段来设置时间步长，并且固体时间步长进行单独设置，此方法可以节省计算时间，节约计算机资源，同时也能避免计算前期流场发散的问题。 The invention discloses a hybrid transmission oil cooling motor peak value working condition transient temperature rise prediction simulation method comprising the following steps: establishing an electromagnetic loss analysis model, and calculating motor loss under a motor rated working condition and a peak value working condition through the electromagnetic loss analysis model; a three-dimensional virtual model of the motor is established, a steady-state flow field of a rated working condition of the motor is obtained, on the basis, an unsteady-state temperature field simulation analysis model of the peak working condition of the oil-cooled motor is established, and temperature distribution of a winding, a stator core, a rotor core, magnetic steel and a shell of the oil-cooled motor and speed distribution of a fluid region are obtained. And checking a temperature change curve when the motor operates under the peak working condition, and comparing simulation data with test data in order to verify the accuracy of simulation. The method can predict the temperature field change of the oil-cooled motor and the time for the temperature rise to reach the limit value when the hybrid gearbox operates under the peak working condition, shortens the development period of a new product, reduces the development cost, and also can avoid the problem of flow field divergence in the early stage of calculation. 1.一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其特征在于：包括如下步骤： S1.依据构建的二维电机几何模型、材料参数、负载特性，建立电磁损耗分析模型，通过电磁损耗分析模型计算出电机额定工况、峰值工况下的电机损耗，电机损耗包括绕组铜损、定子铁芯损耗、转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗， 所述电机铜线绕组损耗通过焦耳公式进行计算： Pcu＝mI2R 其中：Pcu——绕组铜损(W) m——电机绕组的相数 I——绕组相电流有效值(A) R——绕组相电阻阻值(Ω) 所述电机损耗计算中的定子铁损计算公式如下： PFe＝Ph+Pc+Pe 其中：PFe——定子铁耗(W)； Ph——磁滞损耗(W)； PC——涡流损耗(W)； Pe——异常损耗(W)； 所述永磁体的涡流损耗计算如下： 式中：Ppm——永磁体涡流损耗(W)； J——涡流密度； σ——永磁体电导率(S/m)； V——永磁体体积(m3)； S2.通过三维建模软件建立电机的三维模型，三维数值计算模型包括电机固体结构域、流体结构域； S3.将S2步骤建立的油冷电机模型导入网格划分软件，对模型进行网格划分，其中流体域需单独添加边界层网格，确保网格质量达到设定标准，并导出网格文件； S4.将S3步骤中的网格导入流体分析软件，建立油冷电机额定工况稳态温度场求解模型，求解类型设置为稳态热；设置求解模型，设置电机固体部件与流体的物性参数； 选择计算模型及边界条件，同时为了监测流场收敛，分别在流体域及固体域内设置监测点；设置时间步长及总时间步后开始迭代计算，直至流场达到收敛标准，导出结果至后处理软件，并查看油冷电机内温度场分布， 其中绕组与绝缘材料进行等效处理，其物性参数按以下公式进行计算： 式中：λcq——等效绕组导热系数(W/(m·K))；ρcq——等效绕组密度(Kg/m3)，Ccq——等效绕组比热容(J/(Kg·K))；λi——铜线及各种绝缘材料导热系数(W/(m·K))；δi——铜线及各种绝缘材料厚度(m)；ρi——铜线及各种绝缘材料密度(Kg/m3)；Ci——铜线及各种绝缘材料比热容(J/(kg·K))；Vi——铜线及各种绝缘材料有效体积(m3) 其中定转子铁芯的导热系数按下式计算： 铁芯轴向导热系数： 铁芯周向导热系数计算： λrx＝λry＝KFeλ1+(1-KFe)λ2 式中：λ1、λ2为硅钢片和绝缘材料的导热系数，KFe为硅钢片的堆叠系数，一般取0.97； S5.建立油冷电机非稳态温度场仿真分析模型；将第四步计算的稳态流场结果作为电机非稳态温度场计算的初始流场，热源为峰值工况下的电机损耗，设置转动部件旋转速度，并且更改求解类型为瞬态热；针对流-固-热多场耦合瞬态仿真， 在仿真初始阶段，将时间步长设置为较小的量级，随着流场稳定，逐渐增大时间步长，其中固体时间步长采用独立设置，节约计算机资源；当满足收敛标准后，停止计算并导出结果文件至后处理软件，对结果进行分析； S6.获得油冷电机绕组、定子、磁钢、壳体的温度分布，流体区域的速度分布，并且查看温度变化曲线， S7.验证模拟的准确性，将仿真数据与试验数据进行对比，选择油冷电机试验监测点，通过对比该位置点仿真与试验数据，测得误差，误差超过容许值，修改第四步、第五步中的设置。 2.根据权利要求1所述的一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其特征在于：所述固体结构域包括磁钢(7)、转子铁芯(4)、定子铁芯(2)、铜线绕组(3)、空心转轴(6)、第一支路喷油管(501)、第二支路喷油管(502)、前壳体(1)、后壳体(10)、油底壳(8)，其中所述第一支路喷油管(501)、第二支路喷油管(502)安装在前壳体(1)上。 3.根据权利要求1所述的一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其特征在于：所述流体结构域包括第一支路喷油管流体域(901)、第二支路喷油管流体域(902)、第三空心转轴流体域(11)、壳体内主流体域(12)；第一支路喷油管流体域(901)、第二支路喷油管流体域(902)构成第一静止流体域(9)。 4.根据权利要求2所述的一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其特征在于：所述第一支路喷油管(501)与第二支路喷油管(502)上开有不同方向的小孔，所述小孔直径为1.2mm，其中每一根喷油管(5)在绕组(3)端部设计两对3个大小一致的孔，中间部位流量需求小，设计三对2个大小一致的孔。 5.根据权利要求2所述的一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其特征在于：所述空心转轴(6)两侧分别布置有4个大小一致的孔，其中一对孔开口朝向绕组(3)，用于冷却绕组(3)端部，另外一对开口朝向轴承，用于对转子部件轴承进行润滑冷却。 6.根据权利要求2所述的一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其特征在于：所述S4步骤中固体部件的物性参数包括密度、比热容、导热系数，所述流体的物性参数包括密度、比热容、导热系数、动力粘度。 7.根据权利要求2所述的一种混动变速箱油冷电机峰值工况瞬态温升预测仿真方法，其特征在于：所述S4步骤中，边界条件包括设置流体进出口边界类型、旋转部件转动速度及方向、热源添加、壳体外壁面传热系数，所述热源为额定工况的损耗值。环境温度 转速 试验测点温度 仿真点温度 误差 26℃ 3850rpm 109℃ 116℃ 6.4％